一種硬幣鑒別系統的設計與實現

于春曉 李艷英 祝 根

（青島工學院機電工程學院 山東 266300）

0 引言

現代生活中，無人售票車、自動售貨機、投幣式電話等許多行業都涉及到硬幣的大量使用，對硬幣的高效識別和辨偽顯得尤為重要。本文介紹了一種硬幣鑒別系統的設計與實現，該系統集成化程度高，穩定性強，精度高，成本低，可實現對我國現行流通的硬幣面值識別及辨偽。主要功能如下：1）無損檢測硬幣真偽；2）幣值的識別及實時顯示；3）對偽幣進行清退及報警；4）幣值的累計、清零及顯示；5）“防釣魚”功能。

1 系統結構及工作原理

本系統的設計思路是利用電渦流傳感器將硬幣檢測信號經CD4060BM 芯片分頻后，送入LM3S1138微控制器中，經數據比較處理后，將識別信息通過LCD顯示，并對偽幣實現蜂鳴報警及清退。光電傳感器用于檢測硬幣的出入，作為開啟電渦流傳感器及金額統計處理的信號，同時具有“防釣魚”功能。系統框圖如圖1所示。

圖1 硬幣鑒別系統框圖

1.1 電渦流傳感器檢測原理

系統采用電渦流傳感器進行硬幣檢測，電渦流傳感器是利用電渦流效應引起的傳感線圈阻抗的變化（或電感的變化，或品質因數的變化），進行位移、厚度、材質等非電量的檢測[1]。當傳感器線圈通以交變電流i1時，由法拉第電磁感應定律，線圈周圍空間產生交變磁場H1，使置于此磁場中的被測金屬導體（硬幣）產生感應電流i2，即電渦流[2]。電渦流i2又產生反向的交變磁場H2；H2與H1互相作用，從而導致傳感器線圈的阻抗、電感量及品質因數相應地發生變化。其變化程度與被測金屬導體（硬幣）的幾何形狀、電阻率、磁導率以及線圈激勵電流的頻率等參數有關。以交變振蕩電路為激勵，不同硬幣對應不同的電導率、磁導率，將引起振蕩頻率的不同變化，可以通過頻率值的測量來實現硬幣幣值及真偽的識別。

1.2 傳感器工作原理

系統采用雙側對稱式電渦流傳感器，兩個電感線圈置于硬幣通道兩側，用于檢測硬幣通過時的頻率信號，如圖2。兩線圈中間裝有一組光電傳感器的發射管與接收管，用于檢測通道中是否有硬幣通過。當有硬幣通過時，控制器接收到光電傳感器產生的脈沖信號，將此刻電渦流傳感器檢測到的頻率信號讀取并與控制器中保存的數據進行匹配，數據匹配則顯示相對應的幣值信息，反之則識別為偽幣。配合出口處的光電傳感器，還實現了“防釣魚”功能。

圖2 傳感器布局示意圖

圖3為檢測輸出電路。CD4060BM是14位二進制串行計數器/分頻器，它由兩部分組成，一部分是 14級分頻器，輸出二進制分頻信號；另一部分是振蕩器，由內含兩個串接的反相器和外接電阻電容構成[3]。采用該芯片可以直接實現振蕩和分頻的功能。

其中10、11引腳為CD4060BM的內部振蕩器端口，7引腳為CD4060BM四分頻輸出端口。經測試在沒有硬幣通過時，10、11引腳輸出峰峰值為5V，頻率為328KHz左右的正弦波信號，經CD4060BM內部分頻，在4分頻端口Q4輸出峰峰值為5V，頻率為23KHz的方波信號。不同面值的硬幣通過電渦流傳感器時 Q4端口輸出的方波信號頻率均不相同，通過對該信號的采集處理，即可實現對硬幣種類的識別。本設計方案采用LM3S1138作為主控制器，可以對頻率信號實現準確、高效的采集處理，且其內設資源與外部端口豐富[4]，可增強本硬幣識別系統的可擴展性。

1.3 退幣控制電路

為了實現對偽幣的清退功能，系統采用電磁鐵為退幣執行器，通過其控制撥片的擺動來改變硬幣滾動通道，從而實現硬幣的存入與清退。圖4為退幣通道的結構示意圖。

圖4 退幣通道結構示意圖

2 系統軟件設計

系統的工作流程為：硬幣自投幣口投入，檢測硬幣投入的光電傳感器產生觸發信號后，控制器將此時電渦流傳感器檢測到的頻率信號與已存的幣值信息進行匹配，如果匹配成功則控制電磁鐵動作改變硬幣通道，使其滾入收集器，并將面值等信息通過低功耗LCD液晶顯示；若是假幣，蜂鳴器發出報警信息，電磁鐵不動作，使假幣滾入退幣通道，同時LCD顯示假幣提醒。

軟件設計主要子程序包括：系統初始化程序、液晶顯示程序、按鍵處理程序、三個中斷處理程序。三個中斷程序包括：一個為定時/計數器中斷，主要用于測量識別信號的頻率；另外兩個為通用輸入/輸出口中斷，由兩個光電傳感器檢測信號觸發，用于實現硬幣輸入的檢測，幣值數據的處理及蜂鳴器、電磁鐵的控制。

3 系統測試與分析

為了建立真幣數據的標準參數，作為與檢測信號的基準對比數據，本設計進行了一次數據采樣測試。使用投放年份不同的各面值硬幣進行隨機測試，其中1角硬幣采用第五版“小”硬幣，測試共進行七組，每組投擲5次，記錄平均值，最終將每組平均值再取平均，得出相對準確的采樣數據。表1為采樣數據統計表，單位：Hz。

表1 采樣數據統計表

為了測試本設計的硬幣識別系統的硬幣識別準確性、穩定性和辨偽能力。使用投放年份不同的各面值硬幣四枚進行模擬使用實驗，每種面值硬幣進行3組實驗，每組實驗隨機投擲50次，記錄下每組實驗識別準確的次數，測試中著重測試了系統對偽幣的鑒別準確度。表3為測試結果。

表2 系統測試對照表

從表中數據可以看出，本硬幣鑒別系統對普通硬幣的識別率較好，平均準確率在 98.2%以上。對偽幣檢測的準確率同樣達到了98%，實現了很好的辨偽效果。

4 結束語

本設計系統性能穩定，識別精度高，抗干擾能力強，成本低，擴展性強，不僅可以對我國現行流通硬幣的進行快速面值識別和統計，還可以區分游戲幣和偽幣，同時具有顯示、清分的功能。

[1] 肖圣兵.電渦流傳感器在人民幣硬幣識別系統中的應用[J]．蘇州大學學報：自然科學版，1996（1）：60-63．

[2] 廖雅琴．電渦流傳感器的仿真與設計[D]．成都：電子科技大學，2007．

[3] 潘榮輝．數字電路 CD4060 的應用[J]．電子制作，2007（7）：43-43

[4] 李佳．ARM 系列處理器應用技術完全手冊[M]．人民郵電出版社，2006．